52技术研究总报告(报送稿).doc

滩涂区大吨位预应力混凝土箱梁整体预制、梁上运梁架设施工技术研究总报告1 项目研究的背景1.1 项目研究依托的工程概况1.1.1工程地理位置杭州湾跨海大桥位于我国改革开发最具活力、经济最发达的长江三角洲地区，是“五纵七横”国道主干线同江三亚沿海大通道的重要组成部分，也是浙江东部沿海地区与上海之间的快捷通道。杭州湾大桥位于钱塘江河口与杭州湾交汇处，起于嘉兴市乍浦郑家埭村，跨越杭州湾北航道、南副航道和宽阔的海面及南岸滩涂地后，上跨宁波市慈溪的十塘海堤，经九塘、八塘海堤，止于宁波市慈溪水路湾村，工程起止里程为K49+000K85+000，全长36Km，其中大桥长度35.673Km(海域部分长31.5 Km)。它是是世界上目前在建的最长的跨海大桥工程，建成后将缩短宁波至上海间的公路运输里程120余公里。杭州湾跨海大桥工程建设规模浩大、建设条件复杂、技术难度大、社会与经济效益显著备受国内外瞩目。杭州湾跨海大桥南岸滩涂区引桥起讫里程为K71+335K81+415，全长10100米。因南岸滩涂区段地势平坦，海床面大部分高程2.0-2.0米，水深仅05.0米，大型船舶无法作业；并且该海区潮汐属典型的半日潮，平均潮差4.6米，滩涂区受潮汐涨落影响较大，施工条件恶劣，施工作业难以展开，因此，滩涂区箱梁施工是整个大桥工期控制的关键之一。1.1.2工程结构设计情况杭州湾跨海大桥南岸滩涂区引桥起讫里程为K71+335K81+415，全长10100米，由中铁二局股份公司负责施工(工作内容主要包括50m箱梁整体预制、运输、架设和连续梁体系转换施工)。该区段桥梁上部结构为跨径50m的先简支后连续预应力混凝土连续箱梁，基本联长布置为20联8×50m和6联7×50m，共计26联；箱梁包括边梁(B1B10)和中梁(Z1Z7)两大类共计17种梁型，其中边梁104片、中梁300片，共计404片。其平面线型有R、R10000m、R6000m曲线三种。50m箱梁采用单箱室截面，单幅桥箱梁顶宽15.8m，底宽6.625m，箱梁梁高3.2m，箱梁两侧各悬臂3.9m，悬臂端部厚度20cm，悬臂根部厚度50cm。顶板在箱室内净跨6.8m，板厚度26cm，横桥向单向放坡2.0%。箱梁底板较宽，底板厚度为25cm；在支座两侧附近局部加厚至0.6和0.5米。腹板作成斜腹板，斜度为1：4.04。曲线段预制梁构造尺寸基本与直线段预制梁相同，仅仅顶板悬臂长度不同而已；通过调整悬臂板的长度来拟合桥梁曲线，悬臂板的长度变化范围为3.85m3.95m。标准50米箱梁的边梁和中梁自重分别为1430t和1425t。1.1.3工程施工环境1.1.3.1气象条件杭州湾地处我国东部沿海地区，属亚热带季风湿润气候区，季风明显，四季分明，气候温和、湿润、多雨。(1)气温：常年平均气温为16，最冷月平均气温为4.1，最热月平均气温28.3，极端最高气温为39.1，极端最低气温为-10.6。(2)湿度：全年平均相对湿度为8182%。(3)降水：年平均降水量为1294.6mm，月最大降水量为468.3mm。(4)风：实测平均最大风速为22.6m/s，实测极大风速为31.9m/s。年平均台风影响次数2.56次。台风是本工程施工的不利气象条件之一。另外，龙卷风也在本区域偶有出现，对工程施工安全造成威胁。(5)雾况：全年各月均有雾日出现，夏季雾日相对较少且持续时间较短，冬季雾日较多且持续时间较长。雾最长持续时间达22.9小时，出现天数最多年份为67天，多年平均雾日为21.5天。大雾天气不仅影响工程施工进度，而且对工程施工安全造成威胁。1.1.3.2地形、地质条件50m箱梁整体预制、运输、架设施工所涉及的箱梁预制场、南引桥跨十塘50+80+50m连续梁以及陆地区4×50m连续梁施工的地形、地质条件具体情况如下。(1)地形地貌本工程施工区域位于杭州湾南岸十塘至九塘之间(距离约2km)，系近期围涂而形成陆地，原为泥草滩，地面高程+2.0+0.0m。十塘是南岸围涂而修的纵堤，设计堤底宽约66m，堤顶高程8.82m。(2)地质本区域软土层较厚，一般情况厚30m，其上有一层1618m厚亚砂土，亚砂土有一定的强度，经处理后可作为一般建筑物或施工临时结构的持力层。该地区地层分布以代表性的CZK43号孔为例，由上至下的地质情况见表3-1。表31 南岸陆上段钻探CZK43号孔地质情况表地层编号地 质 情 况 表 述2层 亚砂土，饱和，松散稍密，厚18.05m2层灰色淤泥质亚粘土，饱和，流塑，厚28.85m1层灰色淤泥质粘土，饱和，软塑，厚2.5m2层细砂层，中密，厚8.1m 层亚粘土，软塑硬塑，厚4.3m 层粉砂层，中密，中间夹有粘土层，厚4.9m，顶板标高-57.24m 层粘土层，饱和，可塑，厚12.2m夹层粉砂层，局部为细砂，饱和，密度，厚7.0m1.1.3.3施工供水、供电、既有交通及通讯设施(1)施工供水:杭州湾大桥专线供水管已敷设至本工程施工现场，南岸设计总供水能力8000方/日，供、合同段及指挥部等使用。(2)施工供电: 杭州湾大桥专用输变电工程有35KV变电所一座，本合同段已有12.5KV双回路主杆线引入。(3)进场道路：业主已对南岸的进场道路进行了统一的规划并已修建完毕，其最小宽度为10.2m，能够满足本标段的施工需要，不需另外修建。(4)通讯设施：中国移动和中国联通都在两岸桥头为本桥专门安装了通讯基站,提供移动通讯服务,本合同段所在的南岸场地已引入固定程控电话接口。为确保整个工程管理信息系统有效运行，业主已为本工程建立了专用的通讯网络保障体系,该体系包括：CDMA商务电话；移动电话；专用固定电话，移动固定电话综合虚拟网；高速互联网接入；基于CDMA或WLAN的无线网络接入。业主要求承包人必须加入业主建立的通信网络保障体系，以确保通讯及数据传输系统畅通。1.1.4工程特点及施工难点1.1.4.1工程特点(1)施工工艺新。 50m/1430t箱梁整体预制、梁上运梁、架设及体系转换施工，在国内外尚属首次。(2)技术含量高。大吨位箱梁预应力混凝土施工技术含量高，施工控制要求严，制造难度大，同时其运输、架设施工对大型专用机械设备及操作工艺均提出了极高的要求。(3)箱梁架设受环境影响大。施工期间台风、雷暴及大雾对箱梁运架作业安全及工效影响较大。(4)施工专用机械设备配套要求高。本合同段工程技术含量高、施工规模大，为确保工程进度、质量和安全，必须研制先进的箱梁运输及架设专用设备进行本工程施工。(5)大型临时设施工程量大、其结构承载力要求高。50m/1430t箱梁对制梁台座、存梁台座、提梁站基础以及搬运机走行道路均有较高的承载力要求，由于预制场区域下伏软土地层，因此必须进行深层地基加固处理，故大型临时设施施工工程量较大。1.1.4.2工程施工重点50m/1430t箱梁的整体预制、运输和架设施工任务按期、优质、安全的完成是本工程的施工重点。1.1.4.3工程施工技术难点根据本工程结构设计情况和施工环境状况，本工程施工具有以下施工技术难点：(1)大吨位预应力混凝土箱梁整体预制施工技术；(2)箱梁C50海工耐久性混凝土的施工技术；(3)50m/1430t箱梁运输、架设的施工技术；(4)大吨位预应力混凝土箱梁先简支后连续体系转换施工技术。1.2 国内外同类技术研究现状分析及评价1.2.1国外同类技术研究现状分析及评价在国外，箱梁采用整体预制、梁上运输架设的施工技术在20世纪70年代就已开始。最早在1978年，意大利Caserta经Nola至Salerno的公路桥梁工程，该高速公路桥长2900米，由91孔箱梁组成(箱梁长32米、宽13米，梁重520吨)。类似的实例还有自Roma到Felanze的高速铁路桥，桥长2548米，由120孔箱梁组成，桥面宽11.8米，梁重540吨；自Roma到Livomo的高速公路桥，其箱梁重已达850吨。上述桥梁均为单幅桥，且桥面宽度较小。1985年修建的全长12.5公里的巴林海峡大桥(Bahrain Causway)上部结构为50米跨径的预应力混凝土等高度箱梁，桥梁宽12.3米，采用整体预制施工，但其架设采用通用型的1400吨浮吊。1992年，在韩国开始修建的汉城至釜山高速铁路工程的部分区段也采用了整体预制、梁上运输架设的施工方案，该箱梁重量达850吨。国外高速铁路和高速公路建设较早，在施工实践中研制了大量的各种型式、各种吨位的高速铁路、高速公路箱梁架桥机。国外高速铁路箱梁架桥机大致可分为迈步式架桥机、下导梁式架桥机、运架一体式架桥机。其中下导梁式架桥机应用于架梁施工实践的最大梁片重量在900吨以上。对于沿海混凝土结构的耐久性而言，发达国家和地区投入了大量的科研经费并积极采取应对措施，如加拿大大略省的公路桥梁为消除海洋氯盐侵蚀及冻融，对防腐蚀钢筋混凝土进行了多角度的深入研究。经过几十年的不懈努力，从沿海混凝土结构的腐蚀机理、修补、防护到耐久性设计等方面都已取得大量的工程成果。如在丹麦修建的大贝尔特跨海桥(The great belt)和厄勒海峡大桥(Oersund bridge),为实现预定的100年使用寿命的目标，制定了专用的混凝土结构设计标准。又如在欧盟，1995年启动了BE95-1347 Duracrete 研究项目，旨在发展以性能和可靠度分析为基础的混凝土结构耐久性设计和耐久性再设计方法；1998年又支助了为期三年的DuraNet:The European Concrete Durability Network，有19个研究单位参与，目的是改善欧洲混凝土结构的耐久性设计、评估、预报和修复水平，取得的成果已经或即将运用于欧洲规范之中。但是，由于问题的复杂性，目前在结构设计标准中一般还只是通过对混凝土配合比、保护层厚度以及其它一些构造措施来间接反映结构设计中对耐久性和使用寿命的要求。在国外的大吨位箱梁工程实践中，桥梁结构均采用简支受力体系，即箱梁架设后不将箱梁进行连续或仅进行桥面部分的假连续施工，不存在先简支后连续的体系转换施工技术问题。1.2.2国内同类技术研究现状分析及评价随着我国桥梁建设技术的不断进步，目前国内高速铁路和高速公路桥梁(特别是跨海大桥)正朝“整体预制、运输和架设”的方向发展。国内已建成的秦沈客运专线和东海大桥的大体积箱梁也首次设计使用了整体预制、运输、架设技术，其中，秦沈客运专线的箱梁为20米和24米两种，最大重量达570吨，其施工方案与杭州湾跨海大桥50m箱梁相似，但铁路桥梁为单幅桥，桥面宽度较小，箱梁运架施工的难度均较小，且在国外有完全相同的施工技术可借鉴；而东海大桥的箱梁为60米和70米两种，最大重量达约2000吨，其施工方案系采用浮吊安装。我国台湾修建的高速铁路桥梁大量采用了“整体预制、运输和架设”的施工技术，其箱梁跨度有30米、35米等多种规格，最大重量约900吨，其桥梁结构设计情况和施工条件也与秦沈客运专线相似。我国高速铁路大吨位箱梁运架设备的研制自1998年伴随着秦沈客运专线的建设而展开。秦沈客运专线桥梁设计大量采用了20m、24m双线和单线单箱整体预制箱梁，在施工中集中了国内自行研制及进口的最先进的架梁设备，就其工作原理，可分为步履式架桥机、下导梁式架桥机、运架一体式架桥机，主要型号有DF450型、YJ-550型、JQ600型和SPJ450/32型，这些运架设备的最大施工能力达600吨级。在杭州湾跨海大桥建设的同时，从2004年下半年开始，国内高速铁路客运专线建设进入了新的高潮，武(汉)广(州)、合(肥)宁(南京)、温(州)福(州)、京(北京)津(天津)城际铁路等客运专线陆续开工，铁路32m整体箱梁运架设备研制也同期展开。杭州湾跨海大桥箱梁跨度为50米，单片箱梁重达1430吨，并且箱梁运架须跨双幅桥梁进行，该规模的大吨位整体箱梁运架施工技术及配套施工设备目前在国内外均无研究纪录。在国内，政府主管部门和广大设计、施工部门对混凝土结构的耐久性问题还未有足够的重视，我国海洋环境下的公路和铁路桥梁在耐久性设计方面还无明确的要求。我国香港的青马跨海大桥，为了确保混凝土结构的120年使用寿命，研究了混凝土的氯离子渗透率、温度裂缝、碱骨料反应等耐久性问题，采用了复掺5%硅粉、25%粉煤灰或65%矿渣的海工耐久混凝土；澳门的珠海跨海大桥也采用了粉煤灰高性能耐久混凝土等措施来延长结构的使用寿命，以提高经济效益。为确保杭州湾跨海大桥的100年设计使用寿命，除从结构设计角度采取增大混凝土保护层厚度、设置保护涂层、采用环氧涂层钢筋的技术措施外，更应从提高混凝土本身的耐久性能方面进行研究。在国内铁路工程的大吨位箱梁工程实践中，桥梁结构均采用简支受力体系，即箱梁架设后不将箱梁进行连续施工，不存在先简支后连续的体系转换施工技术问题。在东海大桥工程中第一次实现了真正意义上的大吨位整体箱梁先简支后连续体系转换施工，但是，由于该箱梁采用大吨位浮吊进行架设，其体系转换施工中所涉及的临时支座的吨位仅500吨(杭州湾跨海大桥达1000吨)；再加上其具备船舶作业条件，体系转换施工中所涉及的模板系统及施工作业平台系统与滩涂区相比，施工作业条件完全不同，杭州湾跨海大桥的50m箱梁体系转换施工必须自主开发一套新型的施工技术方案。 1.3项目研究的必要性和目标杭州湾跨海大桥的建设对于整个地区的经济社会发展都具有深远的重大战略意义。她将有利于宁波主动接轨上海、扩大开放，推动长江三角洲地区合作与交流，提高浙江省、宁波市对内外开放水平，增强其综合实力和国际竞争力；有利于完善长江三角洲区域公路网布局及国道主干线，缓解沪、杭、甬高速公路流量的压力；有利于将宁波市由交通末端变成枢纽，提升宁波市城市格局，实施环杭州湾区域发展战略；有利于促进江、浙、沪旅游发展的需要。随着我国桥梁建设技术的不断进步，目前国内高速铁路和高速公路桥梁(特别是跨海大桥)正朝“整体预制、运输和架设”的方向发展。但是在国内，政府主管部门和广大设计、施工部门对混凝土结构的耐久性问题还未有足够的重视，我国海洋环境下的公路和铁路桥梁在耐久性设计方面还无明确的要求。杭州湾跨海大桥南岸滩涂区引桥上部结构所采用的箱梁跨度为50米，不仅单片箱梁重达1430吨，而且，由于其结构设计的特点，再加上工程所在区域的特殊施工环境，使得50m/1430t箱梁的整体预制、梁上运输和架设的施工技术的实施中存在大量的技术难点：大吨位整体箱梁关键结构50m/1430t箱梁采用整体预制、梁上运梁、架桥机架梁的施工技术，其施工荷载大于使用荷载，属典型的施工控制设计。因此，有必要根据选定的总体施工方案和运架设备的实际情况，对箱梁的吊点、湿接头等关键结构深入研究，以确保桥梁施工期间的结构安全和施工安全。大吨位箱梁整体预制技术在软土地区修建大型预制场进行50m/1430t箱梁的整体预制施工，如何选择适宜的制梁、存梁台座和大型运梁设备通道的结构形式，以及如何保证混凝土的一次性浇筑质量、防止温度裂纹和确保箱梁的内在、外观质量的有关工艺均是技术难点。大吨位整体箱梁运架施工技术50m/1430t箱梁在运输过程中运梁车同时跨双幅桥的四片箱梁进行，以降低运梁作业对桥梁结构的影响。采用类似的梁上运输、架设的方案进行施工的工程中，其重量为世界第一；再加上工程所在区域的不利施工环境的影响，因此，50m/1430t箱梁运输和架设施工技术及配套设备属世界首创。海工耐久性混凝土的施工技术由于杭州湾海域富含氯盐，对桥梁结构具有很强的腐蚀性，而且本工程的设计使用寿命为100年，因此，结构耐久性要求高。为满足结构的高耐久性要求采用的海工耐久混凝土的原材料选择、配合比选择以及生产、浇筑和养护工艺均属难点技术。大吨位整体箱梁先简支后连续的体系转换施工技术大吨位整体箱梁采用先简支后连续的施工方案，其体系转换施工技术是保证桥梁线形和内力与设计一致的关键技术。并且，本技术也是国内外类似施工方案的工程中第一次使用。由于50m/1430t箱梁的整体预制、梁上运梁架设施工中存在上述难点技术，而国内外并没有成熟的技术可直接借用，因此，必须根据本工程的总体施工方案，对有关关键技术进行深入的研究，以提出一套适用于本合同段工程施工的关键技术方案，确保工程施工任务的优质、安全、按期和高效地完成。同时，通过本工程的实施，研究和总结大吨位预应力混凝土箱梁整体预制、梁上运梁以及架设的工法，提升大桥施工科技含量，也为以后的类似结构的桥梁工程施工积累经验。本科研项目研究的完成，不仅可解决杭州湾跨海大桥滩涂区桥梁施工难题，同时也将完善我国长大桥梁的施工手段。随着此施工方法在同类型桥梁的施工中的推广应用，我国的桥梁施工水平将会步上一个新的台阶。2 项目研究的实施方案2.1项目研究的主要内容和技术路线根据本工程特点和拟定的施工技术方案，将本科研项目划分为大吨位预应力混凝土整体箱梁结构方案研究、大吨位预应力混凝土箱梁整体预制施工技术研究、大吨位预应力混凝土整体箱梁梁上运输架设施工技术3个部分，分别进行攻关。各部分包括的主要内容如下：(1)大吨位预应力混凝土整体箱梁结构方案研究箱梁结构静力分析。箱梁结构空间局部应力分析。箱梁关键构造研究。箱梁线形控制研究。(2)大吨位预应力混凝土箱梁整体预制施工技术研究箱梁预制场总体规划与建设。箱梁预制、存放台座设计。箱梁高性能海工耐久混凝土配合比研究。箱梁保温保湿养护工艺研究。箱梁模板设计及工厂化制造研究。箱梁在梁场运输方式及配套设备研究箱梁制造标准工艺研究双层存梁方案研究(3)大吨位预应力混凝土整体箱梁梁上运输、架设施工技术研究大吨位预应力混凝土整体箱梁架设技术研究。大吨位预应力混凝土整体箱梁梁上运输技术研究。大吨位预应力混凝土整体箱梁提升上桥技术研究。大吨位预应力混凝土整体箱梁的运架设备管理研究。大吨位预应力混凝土整体箱梁先简支后连续体系转换施工技术研究。符合要求收集资料确定本工程施工的总体施工方案确定运架设备的总体方案箱梁预制工艺研究运架设备的各种工况分析（含对桥梁结构的作用力）桥梁结构计算分析实桥应用及检测施工工法总结工艺梁试制箱梁正式预制调整设备结构或桥梁结构加强不符合要求未通过本科研项目研究的总技术路线见图3-1。通过图3-1 科研项目技术路线图2.2 项目研究的组织机构设置和任务划分为确保本科研项目研究工作的顺利进行，成立了以项目经理为组长、总工程师为副组长的科研工作组，具体负责科研工作的全面实施。为加强科研小组的结构计算分析能力，我公司与西南交通大学、同济大学、浙江大学等高等院校联合，聘请其资深教授协助进行桥梁结构的计算分析。该科研工作小组的工作除受我部上级职能部门管理外，同时，接受业主的协调和管理。具体组织机构见图3-2。杭州湾大桥工程指挥部作为本科研项目的牵头单位，负责项目的牵头、协调及管理；中铁二局股份有限公司作为本科研项目实施单位，在项目经理部设置的科研工作小组是具体实施机构，负责项目的具体实施；根据工作内容不同，在科研工作小组下分结构计算分析组、施工工艺研究组和机械设备研究组三个工作组，其中，结构计算分析组主要负责与桥梁结构设计有关的科研项目的计算分析工作，施工工艺研究组重点研究关键施工工艺，机械设备研究组主要负责机械设备的选型、配套及其操作指导；中铁大桥勘测设计院负责技术指导与审查。科研工作小组公司职能管理部门设计单位杭州湾大桥工程指挥部业务及技术指导技术指导施工工艺研究组结构计算分析组机械设备研究组图3-2 项目研究的组织机构框图科研工作小组在杭州湾大桥工程指挥部及上级科研主管部门的管理及指导下，按照交通部重点科研攻关项目管理办法和杭州湾大桥工程指挥部科研管理办法进行相关专题的技术攻关。2.3 项目研究的人员配置和工作分工根据本科研项目技术攻关总体方案和研究内容，为有利于科研工作的实施和充分满足施工生产需要，本科研项目主要参加人员以工程项目经理部技术人员为主。其中，组长由项目经理担任，副组长由项目总工程师和杭州湾大桥工程指挥部总工程师担任。同时考虑上级管理单位和协作单位的技术资源。科研工作小组人员具体构成如下：组长:林原副组长: 李友明、吕忠达组员: 刘乃生、史 渡、刘 阳、蔡以智、王树伟、匡 明、陈世川、侯凯、张燕飞、朱瑶宏、方明山、董孟、黄燕庆、郑凯锋、陆光闾、陈拥军、姚道雄、叶贵如、彭贵刚、徐春林、晏洪、朱军、熊国辉、杨勇、张权、蔡杰超、张浩、彭清福、熊向东、叶俊能、冯永明、孙国强、蒲永锋、郑杰元、林国辉、黄元春、陈建军、陈洪、张洪、李世龙、袁宝成、刘文平、陶辑生、张永富、党泽洲、杨小辉、唐浩先、彭溢、钟万波、廖辉、党国栋、吴帮奇、廖琼、梁科、张春、罗东源、罗杰云、贾先奎、李守香、李高华及协作单位人员。本科研项目主要参加人员工作分工情况如表3-2。表32 本科研项目主要参加人员工作分工表序号姓 名主 要 职 责职 称备 注1林 原本科研项目总负责人教授级高级工程师项目经理组长2李友明箱梁制造有关项目总负责人及科研项目(1)、(2)-、(3)-负责人高级工程师项目总工程师副组长3吕忠达箱梁架设有关项目负责人教授级高级工程师副组长4刘乃生科研项目(2)- (3)-负责人高级工程师5史 渡科研项目(3)-负责人高级工程师6刘 阳科研项目(2)-负责人高级工程师7蔡以智科研项目(2)-负责人高级工程师8王树伟科研项目(2)-负责人高级工程师9匡 明科研项目工艺试验高级工程师10侯 凯科研项目工艺试验高级工程师11陈世川科研项目工艺试验高级工程师12张燕飞科研项目协作研究高级工程师13朱瑶宏科研项目工艺试验教授级高级工程师14方明山科研项目协作研究高级工程师、博士15董 孟科研项目工艺试验高级工程师16黄燕庆科研项目协作研究教授高级工程师17郑凯锋科研项目协作研究教授、博士生导师西南交大18陆光闾科研项目协作研究教授、博士生导师同济大学19陈拥军科研项目协作研究工程师20姚道雄科研项目协作研究工程师注：表中编号见2.1节的“主要研究内容”部分。2.4 项目研究的进度情况本科研项目研究开发进度安排以杭州湾跨海大桥工程总体施工进度计划为依据，并适度超前，以满足服务于工程施工的目的。本科研项目的主要阶段工期目标如下：(1)2004年7月10日前，完成了研究工作大纲编制工作。(2)2004年7月10日前，明确了专题合作单位。(3)2004年7月25日前，完成了研究工作大纲评审工作，明确研究目的、内容及大纲。(4)2004年11月30日前，初步完成了大吨位预应力混凝土箱梁结构方案研究。2005年5月31日前，完成了全部研究工作。(5)2004年11月30日前，初步完成了大吨位预应力混凝土箱梁预制工艺研究；2005年5月31日前，根据首片箱梁预制施工情况调整完成了箱梁预制工艺；2005年9月30日前，根据几十片箱梁预制施工情况再次调整完成最终箱梁预制工艺。(6)2004年9月30日前，初步完成了大吨位预应力混凝土箱梁运架工艺研究；2005年3月31日前，完成了箱梁运架设备组装、调试方案研究；2005年10月31日前，根据几十片箱梁架设施工情况调整完成了最终箱梁架设工艺。(7)2005年12月31日前，完成了本科研项目所有研究工作。(8)2006年3月15日前，完成了本科研项目研究研究报告初稿。2006年4月20日前，配合我部上级主管部门完成审查工作。(9)2006年4月30日前，完成了本科研项目研究报告。(10)审查会后在规定的时间，科研小组将科研报告修改完善后，并提交正式的科研项目研究报告。3主要研究成果3.1大吨位预应力混凝土箱梁预制场关键技术设计研究3.1.1大吨位预应力混凝土箱梁预制场总体规划50m箱梁预制场总体规划按照“施工生产工厂化、施工手段机械化、施工作业专业化、施工控制数据化、施工管理规范化、施工环境园林化”的施工理念和“高起点、高标准、高水平”的原则进行。根据业主提供的预制场地质情况和箱梁上桥位置，预制场总体上采用了纵向布置方式(见图3-3)。预制场占地面积约20万平方米，按功能分为办公生活区、制梁区、存梁区及运梁通道等部分。整个生产区以制梁台座为中心，遵循“施工便捷、组织有序”的原则进行存梁台座、钢筋钢绞线加工及预扎区(含料场)、内模拼装及整修区、拌和站(含砂石料场)等大型临时设施布置，按照平行方式进行制、存梁台座的布置。各作业区域相对独立，不仅有效降低了各施工作业的相互干扰，而且缩短了设备作业路径，最大限度地发挥了制梁场的生产能力。正因为创新性地制梁场规划布置方案，在仅设置了6个制梁台座的情况下达到了月制梁30片的生产能力。图3-3 预制场总平面布置图3.1.2 制梁台座、存梁台座方案及结构设计研究针对预制场场地为滩涂区围垦而成(地表两层地层为亚砂土、淤泥质亚粘土，再加上地下水位高，该区域地基承载力较低)的施工环境和制存梁台座承受施工荷载大、变形控制要求高的特点，同时考虑到经济性，在沿海软土地区制存梁台座结构设计中创新性地采用了刚性基础和弹性基础相结合的设计方案：由于箱梁在预应力施工后发生上拱，箱梁结构自重和施工荷载逐渐向两端集中，按最不利情况考虑，荷载全部由两端基础承受，因此，台座两端采用了桩基础方案(桩长50m、桩径1.2m)；而台座中间部分在混凝土浇筑施工过程中只承受约60KPa的均布荷载，考虑到地基对制梁台座的弹性支承效应，该部分采用了弹性地基梁方案。制梁台座设计方案见图3-4。存梁台座则按照箱梁在存放期间尽量与成桥状态受力情况一致的设计要求，选用了钻孔桩作为存梁台座的基础方案(桩长65m、桩径1.2m)，并采取了桩底压浆技术措施，不仅大大地提高了基础的承载力，而且有效的控制了基础的工后沉降量，特别是不均匀沉降量(实测最大沉降量约5mm，不均匀沉降量23mm)，确保了箱梁在存放过程不出现“三支腿”现象。存梁台座设计方案见图3-5。图3-4 制梁台座方案设计图图3-5 存梁台座方案设计图3.1.3 制梁台座、存梁台座沉降变形对箱梁结构的影响研究根据箱梁结构设计情况和预制、存放台座结构设计情况，对箱梁在预制、存放期间的各种工况进行分析，明确了箱梁在预制时各种工况下对制梁、存梁台座的影响，并根据制梁、存梁台座的实际变形情况，反分析变形对箱梁结构的影响。在制梁台座沉降变形分析时，采用ANSYS程序建立了空间模型。空间模型中假定基础梁搁置在承台与地基土上, 50m箱梁搁置在基础梁上。由于承台为桩基础，承台的刚度与土的刚度相差甚远，计算中先假定桩基承台的沉降为零。浇注混凝土时假定混凝土的刚度为零，忽略模板的刚度，基础梁的刚度按设计截面计算。根据地勘单位提供的地基土参数参数值，计算中采用地基土的压缩模量为。当基础梁连续时，只要确保基础梁有足够的承载能力，箱梁混凝土浇筑时跨中地基的沉降最大值大约为8.87，相当于L/5637(L跨度)。该变形对箱梁结构是没有大的影响的，不至于引起梁体出现地基沉降引起的裂缝。当基础梁断开时，箱梁混凝土浇筑时，跨中地基梁的沉降最大值大约为19.8，相当于L/2525；在断开的承台边, 地基梁有约15mm的沉降。该变形对刚浇筑的混凝土时不利的。基于上述计算分析结果，采用了整体连续的基础梁结构。经对制梁台座在混凝土浇注混凝土时的沉降观测表明，制梁台座基础梁的最大沉降点发生在跨中点，沉降值为7.0mm, 与计算值8.87mm比较接近。由于还要扣去承台的沉降，实际沉降值比实测值可能还要小一些。前已说明，即使按跨中地基的沉降计算值大约为8.87,相当于L/5637(L跨度),该变形对结构时没有大的影响的，不至于引起梁体裂缝。现有的制梁台座的结构是合理的。由于制梁台座在多次反复荷载作用下，土的长期变形引起的沉降，必须对其进行长期的观测，各制梁台座累计沉降值统计表明，每个台座浇筑了约15片梁后台座中部总计有约27mm的沉降量，箱梁底模系统应根据其变形情况进行调整。在存梁台座沉降变形分析时，采用ANSYS程序建立了箱梁空间模型，计算分析时采用了块单元与板单元计算，并且在计算分析时，在临时支座位置施加支座约束。计算分析表明：在发生支座不均匀沉降时,箱梁的四个支座反力将发生变化，当一个支座下沉1mm时,与支座未发生沉降时相比, 一个支座上的反力约增加(或减小)了5.7%。当一个支座下沉17.7mm时,该支座要脱开；在支座发生不均匀沉降时,箱梁的腹板剪应力将发生变化。支座发生沉降与支反力变化情况以及引起的箱梁的腹板剪应力变化情况见图3-6和图3-7。当一个支座下沉4mm时,与支座未发生沉降时相比,最大剪应力从1MPa增加到1.1MPa左右，该增量与活载引起的剪应力比较，是小得多，因而在存梁阶段是不危险的；从现场观测来看，存梁台座的沉降是不大的,不均匀沉降可控制在3mm之内。因此，该存梁台座技术方案是可行的。设计图纸规定四个支座的不均匀沉降不大于4mm，在这个范围内，支座沉降对梁体的受力影响不大。但是，由于反力有较大的变化（变化了23%），对箱梁局部受力及存梁台座基础的影响必须考虑。图3-6 自重荷载作用下的支应力随支座沉降的变化曲线图3-7 自重荷载作用下的腹板剪应力随支座沉降量变化曲线3.1.4 双层存梁方案研究50m箱梁从制梁台座搬出后要在存梁区存放，以进行二次预应力张拉和混凝土养护等后道工序工作。根据箱梁结构设计情况对箱梁两层存梁的10种工况进行计算分析，探讨了两层存梁的可能性和施工技术措施。对于双层存梁的计算分析，采用ANSYS分析软件建立了实体模型，在支座位置细化实体单元的尺寸，划分时采用边长为0.1m的单元。在各个计算工况下均计算了整体的和局部的纵向应力、横向应力、竖向应力与主应力。计算分析表明：(1)在桥面横向预应力与自重共同作用下, 箱梁内加腋处顶板顶产生2.18Mpa的横向压应力；内加腋处顶板底产生0.84Mpa的横向压应力, 这些压应力的产生对防止箱梁的桥面裂缝是有利的。(2)在上梁发生“三条腿”现象时, 某一支点的支反力会增加。按计算分析，当其中一个支座下沉4mm时，假定箱梁处于弹性状态，与该支座同一端的另一支座支反力会增加到1.226倍。(3)在下层箱梁发生“三条腿”现象时,下层箱梁端部截面会由于截面变形产生局部横向拉应力。按计算，当其中一个支座下沉4mm时，假定箱梁处于弹性状态，加腋处顶板底所产生的最大横向拉应力为1.391.91Mpa, 此时，相应的该加腋处顶板顶为横向压应力。由于翘曲变形会产生纵向应力0.280.41 Mpa。加腋处顶板底所产生的最大主拉应力为2.022.33Mpa。(4)由于50m预应力梁吊装的需要, 在梁的端部进行局部加强。相当于在原设计箱梁的端部顶板的下面拐角处增加了一个2425cm高的倒角, 梁端的局部加强对两层存梁引起的局部应力是有利的。一般加腋处顶板底的局部最大横向拉应力可减少0.2Mpa, 最大主拉应力可减少0.4Mpa。(5)在上层箱梁自重作用下，对端部加强的结构，上梁支座按设计位置布置（横向中距5.2m）时，加腋处顶板顶最大横向拉应力为2.733.70Mpa，加腋处顶板底最大横向拉应力为1.492.31Mpa。考虑下层箱梁的横向预应力与自重：加腋处顶板顶最大横向拉应力为 (2.733.70)-2.18=(0.551.52)Mpa加腋处顶板底最大横向拉应力为(1.492.31) -0.84=(0.651.47)Mpa相应的主应力会更大些。考虑下层梁的横向预应力与自重及考虑上梁的三条腿及下梁的三条腿：加腋处顶板顶最大横向拉应力为（2.733.70）×1.226+(1.391.91)-2.18=(2.564.27)Mpa加腋处顶板底最大横向拉应力为(1.492.31)×1.226+(1.391.91)-0.84=(2.383.90)Mpa相应的主应力会更大些。在这种情况下, 如果上、下梁均不发生三条腿现象, 一般不会发生裂缝。但如果上、下梁均发生三条腿现象（其值为4mm的设计容许不均匀沉降值），在下梁的加腋处顶板顶与顶板底均会产生裂缝。(6)在上层梁自重作用下，对端部加强的结构，支座按设计位置外移30cm（横向中距5.8m）时，顶板最大横向拉应力明显减小。此时，加腋处顶板顶最大横向拉应力为1.242.09Mpa，加腋处顶板底最大横向拉应力为1.281.81Mpa。考虑下层梁的横向预应力与自重：加腋处顶板顶最大横向拉应力为（1.242.09）-2.18=(-0.94-0.09)Mpa加腋处顶板底最大横向拉应力为(1.281.81) -0.84=(0.440.97)Mpa相应的主应力会更大些。考虑上梁的三条腿及下梁的三条腿，及考虑下层梁的横向预应力与自重：加腋处顶板顶最大横向拉应力为（1.242.09）×1.226+(1.391.91)-2.18=(0.072.29)Mpa加腋处顶板底最大横向拉应力为（1.281.81）×1.226+(1.391.91)-0.84=(2.123.29)Mpa相应的主应力会更大些。在这种情况下, 实际上上梁的支座已位于下梁的腹板与倒角的范围内。局部应力比按设计位置的布置要减小很多：加腋处顶板顶最大横向拉应力从4.27 Mpa 减小到2.29Mpa；加腋处顶板底最大横向拉应力从3.90 Mpa 减小到3.29Mpa；如果上、下梁均不发生三条腿现象, 不会发生裂缝。如果上、下梁均发生三条腿现象（其值为4mm的设计容许不均匀沉降值），在下梁的加腋处顶板顶与顶板底也可能会产生裂缝，但比支座不外移者好得多。(7)增大上层箱梁的支座面积，每个支座纵向并排加两个板式支座，会减小顶板最大横向拉应力。假定面积全部接触, 且支反力均匀分布, 则加腋处顶板底最大横向拉应力约减小0.2Mpa。但实际上，是很难保证支反力均匀分布的。因此，不推荐此方案。(8)在各种工况的荷载作用下，在内加腋的拐角处，会产生较大的竖向剪应力, 但其范围是很小的。值的注意的是，即使对端部加强的结构，支座按设计位置外移30cm（横向中距5.8m）时, 在倒角下缘的竖向剪应力，仍有（2.533.58）Mpa。但是从竖向剪应力的细部云图中可以看出，有较大剪应力的范围很小，深度不大，应该是应力集中现象。根据上述计算分析，得出以下结论：(1)对本工程的50m预应力混凝土箱梁的两层存梁问题, 在支座的平整度得到保证的条件下，可以两层存梁，但应当慎重对待。为保险起见，对第一片两层存梁的下层箱梁进行应变的测试与裂缝观察。(2)